一种多通道成像辐射计的通道改善系统及其方法与流程
本发明涉及一种多通道辐射计的成像技术，具体涉及一种多通道成像辐射计的通道改善系统及其方法。
背景技术：
自然界的物体均存在微波热辐射，辐射计正是接收这种辐射能量进行分析处理的重要工具，是被动式微波遥感的主要仪器。辐射计不向外发射探测信号，只接收被测区域的辐射信号，具有非常高的抗干扰性和隐藏性，在安检、军事、气象、农林、地质、海洋环境监测等领域具有广阔的应用前景。
早期的单通道机械扫描辐射计因为扫描速度慢、对移动物体的检测性能不好等原因已逐渐被淘汰，目前的发展趋势是多通道并行扫描结构。对按一定聚焦阵列排列的多个辐射计通道同时进行采集和处理，可以得到被测区域的辐射图像，从而实现多通道辐射计的成像功能。
当前多通道成像辐射计所面临的主要电路问题是通道一致性差和亮温灵敏度低的问题。由于接收到的辐射能量十分微弱，辐射计前端需要将接收到的辐射信号经过低噪声放大和宽带检波等处理，转换成合适的电压信号供信号处理系统进行采集和处理。
辐射计前端模块常采用混合集成电路形式，由于芯片装配过程中跳金丝、波导过渡等工艺问题，在加工和装配各通道电路时，很难控制各个通道的一致性。主要体现为如下两方面的不一致性：
⑴通道的输出不一致。由于不同通道检波前的总增益和检波器的检波灵敏度不同，导致相同辐射能量输入情况下，各个通道输出电压的不一致；
⑵通道的亮温灵敏度不一致。器件的离散性、噪声系数、增益波动等因素都会影响通道的亮温灵敏度，这些因素对于不同通道的影响是不同的，从而导致相同变化的辐射能量输入，各通道的输出不同，即亮温灵敏度不一致。这种通道不一致性会严重影响辐射计成像质量。
多通道成像辐射计往往应用在强背景下的微弱目标检测场景中。由于强背景形成电路中的强直流信号，该信号限制了通道的放大参数提高，也就是限制了通道的亮温灵敏度提高，这会明显影响微弱目标的识别和检测。
在现有技术中，针对多通道成像辐射计的以上问题，主要有两种处理方法：
(1)辐射计前端精细调整控制方法。辐射计前端精细调整控制方法是组装前对每个通道的前端元件参数进行精细的调整以改善通道一致性，但通道参数往往是时变和温变的，这种方法很难保证常期和稳定的通道一致性，且工作量非常大，不利于批量生产。
(2)信号处理系统校准方法。信号处理系统校准方法主要是在AD采样后的数字域进行通道系数调整实现，这种方法灵活，辅助于校准源可以做到实时校准。但由于强背景信号的存在，单依赖于数字处理方法，不能改善成像系统的亮温灵敏度。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是实现多通道成像辐射计通道一致性的改善和亮温灵敏度的提高，目的在于提供一种多通道成像辐射计的通道改善系统及其方法，在不对多通道辐射计前端做特殊要求的情况下，结合模拟信号调节和数字信号调节，实现多通道成像辐射计通道一致性的改善和亮温灵敏度的提高。
本发明通过下述技术方案实现：
一种多通道成像辐射计的通道改善系统，包括N个辐射计前端通道，每个辐射计前端通道后方均连接一个独立的模拟信号调节模块，所有的模拟信号调节模块均连接在同一个数字信号处理器上，每个单通道模拟信号调节模块包括求和器、滤波器、数控增益放大器、A/D转换器和D/A转换器，每个单通道模拟信号调节模块上的A/D转换器用于采集一个辐射计前端通道输出的强背景信号，通过数字信号处理器的信号运算得到背景信号的抵消信号，将此抵消信号经D/A转换器转换成模拟信号，经过滤波器的滤波后输入到求和器，求和器将抑制强背景分量后的信号经过滤波器滤波后输入数控增益放大器，数控增益放大器对抑制强背景分量后的信号进行放大。
本方案中A/D采集辐射计前端输出的强背景信号，通过信号运算得到背景信号的抵消信号，将此抵消信号经D/A转换器转换成模拟信号，滤波后输入到求和器，实现辐射计前端输出的强背景信号在模拟域中的抑制。
通道成像辐射计的亮温灵敏度存在两个问题：一是单位亮温变化引起的辐射计输出电压变化小，即通道的亮温灵敏度低；二是同样的亮温变化，不同辐射计通道的输出电压变化不同，即通道的亮温灵敏度不一致。本发明利用数控增益放大器对抑制强背景分量后的信号进行放大，从而提高通道的亮温灵敏度。
本发明提出的采集辐射计前端输出的强背景电压信号，通过信号运算得到背景信号的抵消信号，输入到求和器，实现强背景信号在模拟域中的抑制。以及通过数控增益放大器和数字域的调节有效解决多通道辐射计通道的不一致性问题。本发明在解决辐计射通道一致性问题的过程中同时有效地提高了辐射计的亮温灵敏度的问题。本发明在后端对辐射计的通道一致性和亮温灵敏度进行自动改善，这种系统降低了对前端的要求，非常有利于多通道成像辐射计的批量生产。本发明能提高多通道成像辐射计的成像质量和微弱目标检测、识别性能，并有利于产品的批量生产和智能化应用。同时本发明的思想和方法也可应用其他类似的场景。
优选的，每个单通道模拟信号调节模块上的数控增益放大器的放大倍数根据各个辐射计前端通道之间亮温灵敏度的差异进行单独调整。当同样的亮温变化，不同辐射计通道的输出电压变化不同，即通道的亮温灵敏度不一致时，则可以根据各个通道之间亮温灵敏度的差异调整各个通道的数控增益放大器的放大倍数，进一步改善通道间亮温灵敏度的一致性。
由于不同通道的数控增益放大器存在参数差异，各个通道的一致性仍可能存在细微差异，本发明进一步地在数字域中，优选的，数字信号处理器通过系数加乘运算实现对N个辐射计前端通道间亮温灵敏度的一致性进行调节。
优选的，系数加乘运算通过辐射计前端通道输出电压信号与目标亮温的线性关系，计算各个辐射计前端通道的背景信号进行抑制，并根据这一线性关系确定数控增益放大器的放大倍数。
优选的，辐射计前端通道输出电压信号与目标亮温的线性关系采用定标法来确定，选择两个亮温特性已知的辐射定标源，数字信号处理器探测区域的亮温变化处于两个定标源的亮温之间，将定标源分别安置在辐射计扫描范内的固定区域，根据这两个定标源的亮温以及相应的辐射计前端输出电压信号，确定目标亮温与辐射计前端输出电压的线性关系式为：Vn＝An(T-TL)+VnL，1≤n≤N，VnL为第n辐射计前端通道的在定标源TL时的输出电压信号，An为第n辐射计前端通道的亮温灵敏度。
优选的，N的取值为大于等于2的正整数。
一种多通道成像辐射计的通道改善方法，包括如下步骤：
S1、辐射计前端通道初始化，将辐射计前端通道的背景抑制D/A转换器置为零，将数控增益放大器的增益设置为1；
S2、记录扫描到定标源TL时的A/D采样信号VL；
S3、若VL小于预设的电压阈值VLth，则不需要对该通道的背景分量进行抑制，进入步骤S4；否则由VL可得到-VL对应的背景抑制D/A参数，并送入D/A转换器产生模拟调节信号，经滤波器后送入求和器，以实现对该通道的直流背景分量进行抑制，然后进入步骤S4；
S4、记录扫描到定标源TH时的A/D采样信号VH；
S5、若VH未饱和，且大于预设的电压阈值VHth，不需要进行亮温灵敏度的改善，进入步骤S6；若VH小于预设的电压阈值VHth，则需要对该通道的亮温灵敏度进行改善，增大数控增益放大器的增益，增益为G＝VHth/VH，进入步骤S6；
S6、在数字域对辐射计前端通道一致性和亮温灵敏度进行精细调整，在扫描范围内，所有测量数据在数字域中计算最终输出信号VO，计算公式为:VO＝(V-VL)×VHth/(VH-VL)。
优选的，步骤S6中如果扫描过程中发现VL和VH变化，则再次启动步骤S1到步骤S5的模拟域调节过程。
在不对多通道辐射计前端做特殊要求的情况下，接合模拟信号调节和数字信号调节，有效解决多通道辐射计通道的不一致性问题，提高辐射计的亮温灵敏度，实现多通道成像辐射计通道一致性的改善和亮温灵敏度的提高，在后端对辐射计的通道一致性和亮温灵敏度进行自动改善，这种方法降低了对前端的要求，非常有利于多通道成像辐射计的批量生产。本发明能提高多通道成像辐射计的成像质量和微弱目标检测、识别性能，并有利于产品的批量生产和智能化应用。同时本发明的思想和方法也可应用其他类似的场景。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明通过A/D采集辐射计前端输出的强背景信号，通过信号运算得到背景信号的抵消信号，将此抵消信号经D/A转换器转换成模拟信号，滤波后输入到求和器，实现对辐射计前端输出的强背景信号进行抑制。
2、本发明利用数控增益放大器对抑制强背景分量后的信号进行放大，从而提高通道的亮温灵敏度；根据各个通道之间亮温灵敏度的差异调整各个通道的数控增益放大器的放大倍数，进一步改善通道间亮温灵敏度的一致性。
3、本发明不断的调整通道一致性和亮温灵敏度，从而自动跟踪和补偿辐射计前端通道参数的时变、温变等特性引起的通道一致性以及亮温灵敏度的改变，在数字域中完成精细通道一致性和亮温灵敏度改善。
4、本发明在后端对辐射计的通道一致性和亮温灵敏度进行自动改善，这种方法降低了对前端的要求，非常有利于多通道成像辐射计的批量生产。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的系统框图。
图2为本发明辐射计两点定标法示意框图。
图3为在调节前辐射计前端输出电压与亮温的关系。
图4为本发明模拟域中抑制背景信号后辐射计前端输出电压与亮温的关系。
图5为本发明数控增益放大器输出电压与亮温的线性关系。
图6为数字信号处理器输出信号与亮温的线性关系。
图7为调节前和调节后电压与亮温关系的对比图。
图8为本发明的流程图。
图9为本发明辐射计工作时序图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施1：
如图1-9所示，本发明包括一种多通道成像辐射计的通道改善系统，包括N个辐射计前端通道，每个辐射计前端通道后方均连接一个独立的模拟信号调节模块，所有的模拟信号调节模块均连接在同一个数字信号处理器上，每个单通道模拟信号调节模块包括求和器、滤波器、数控增益放大器、A/D转换器和D/A转换器，每个单通道模拟信号调节模块上的A/D转换器用于采集一个辐射计前端通道输出的强背景信号，通过数字信号处理器的信号运算得到背景信号的抵消信号，将此抵消信号经D/A转换器转换成模拟信号，经过滤波器的滤波后输入到求和器，求和器将抑制强背景分量后的信号经过滤波器滤波后输入数控增益放大器，数控增益放大器对抑制强背景分量后的信号进行放大。
现有的辐射计前端模块常采用混合集成电路形式，由于芯片装配过程中跳金丝、波导过渡等工艺问题，在加工和装配各通道电路时，存在如下两个问题：(1)由于不同通道检波前的总增益和检波器的检波灵敏度不同，导致相同辐射能量输入情况下，各个通道输出电压的不一致；(2)由于器件的离散性、噪声系数、增益波动等因素都会影响通道的亮温灵敏度，这些因素对于不同通道的影响是不同的，从而导致相同变化的辐射能量输入，各通道的输出不同，即亮温灵敏度不一致。这种通道不一致性会严重影响辐射计成像质量。
多通道成像辐射计往往应用在强背景下的微弱目标检测场景中。由于强背景形成电路中的强直流信号，该信号限制了通道的放大参数提高，也就是限制了通道的亮温灵敏度提高，这会明显影响微弱目标的识别和检测。
现有多通道成像辐射计的解决上述问题，主要有两种处理方法：
(1)辐射计前端精细调整控制方法。辐射计前端精细调整控制方法是组装前对每个通道的前端元件参数进行精细的调整以改善通道一致性，但通道参数往往是时变和温变的，这种方法很难保证常期和稳定的通道一致性，且工作量非常大，不利于批量生产。
(2)信号处理系统校准方法。信号处理系统校准方法主要是在AD采样后的数字域进行通道系数调整实现，这种方法灵活，辅助于校准源可以做到实时校准。但由于强背景信号的存在，单依赖于数字处理方法，不能改善成像系统的亮温灵敏度。
本方案中A/D采集辐射计前端输出的强背景信号，通过信号运算得到背景信号的抵消信号，将此抵消信号经D/A转换器转换成模拟信号，滤波后输入到求和器，实现辐射计前端输出的强背景信号在模拟域中的抑制。
通道成像辐射计的亮温灵敏度存在两个问题：一是单位亮温变化引起的辐射计输出电压变化小，即通道的亮温灵敏度低；二是同样的亮温变化，不同辐射计通道的输出电压变化不同，即通道的亮温灵敏度不一致。本发明利用数控增益放大器对抑制强背景分量后的信号进行放大，从而提高通道的亮温灵敏度。
本发明提出的采集辐射计前端输出的强背景电压信号，通过信号运算得到背景信号的抵消信号，输入到求和器，实现强背景信号在模拟域中的抑制。以及通过数控增益放大器和数字域的调节有效解决多通道辐射计通道的不一致性问题。本发明在解决辐计射通道一致性问题的过程中同时有效地提高了辐射计的亮温灵敏度的问题。本发明在后端对辐射计的通道一致性和亮温灵敏度进行自动改善，这种系统降低了对前端的要求，非常有利于多通道成像辐射计的批量生产。本发明能提高多通道成像辐射计的成像质量和微弱目标检测、识别性能，并有利于产品的批量生产和智能化应用。同时本发明的思想和方法也可应用其他类似的场景。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上优选如下：每个单通道模拟信号调节模块上的数控增益放大器的放大倍数根据各个辐射计前端通道之间亮温灵敏度的差异进行单独调整。当同样的亮温变化，不同辐射计通道的输出电压变化不同，即通道的亮温灵敏度不一致时，则可以根据各个通道之间亮温灵敏度的差异调整各个通道的数控增益放大器的放大倍数，进一步改善通道间亮温灵敏度的一致性。
由于不同通道的数控增益放大器存在参数差异，各个通道的一致性仍可能存在细微差异，本发明进一步地在数字域中，数字信号处理器通过系数加乘运算实现对N个辐射计前端通道间亮温灵敏度的一致性进行调节。实现数字域中完成精细通道一致性和亮温灵敏度改善调整。
根据辐射计的理论可知，辐射计前端输出电压与目标亮温可用线性关系表达。系数加乘运算通过辐射计前端通道输出电压信号与目标亮温的线性关系，计算各个辐射计前端通道的背景信号进行抑制，并根据这一线性关系确定数控增益放大器的放大倍数。
辐射计前端通道输出电压信号与目标亮温的线性关系采用定标法来确定，选择两个亮温特性已知的辐射定标源，数字信号处理器探测区域的亮温变化处于两个定标源的亮温之间，将定标源分别安置在辐射计扫描范内的固定区域，根据这两个定标源的亮温以及相应的辐射计前端输出电压信号，确定目标亮温与辐射计前端输出电压的线性关系式为：Vn＝An(T-TL)+VnL，1≤n≤N，VnL为第n辐射计前端通道的在定标源TL时的输出电压信号，An为第n辐射计前端通道的亮温灵敏度。如图3所示，为两个未经通道一致性和亮温灵敏度改善的辐射计通道的电压-亮温典型曲线。
辐射计工作时总是经历这样的过程：定标——扫描——定标。在这个过程中可以不断的调整通道一致性和亮温灵敏度，从而自动跟踪和补偿辐射计前端通道参数的时变、温变等特性引起的通道一致性以及亮温灵敏度的改变。
N的取值为大于等于2的正整数。
实施例3：
一种多通道成像辐射计的通道改善方法，包括如下步骤：
S1、辐射计前端通道初始化，将辐射计前端通道的背景抑制D/A转换器置为零，将数控增益放大器的增益设置为1；
S2、记录扫描到定标源TL时的A/D采样信号VL；
S3、若VL小于预设的电压阈值VLth，则不需要对该通道的背景分量进行抑制，进入步骤S4；否则由VL可得到-VL对应的背景抑制D/A参数，并送入D/A转换器产生模拟调节信号，经滤波器后送入求和器，以实现对该通道的直流背景分量进行抑制，然后进入步骤S4；
S4、记录扫描到定标源TH时的A/D采样信号VH；
S5、若VH未饱和，且大于预设的电压阈值VHth，不需要进行亮温灵敏度的改善，进入步骤S6；若VH小于预设的电压阈值VHth，则需要对该通道的亮温灵敏度进行改善，增大数控增益放大器的增益，增益为G＝VHth/VH，进入步骤S6；该步骤之后亮温-电压关系如图5所示，此时通道一致性和亮温灵敏度都得到较大改善。
S6、在数字域对辐射计前端通道一致性和亮温灵敏度进行精细调整，在扫描范围内，所有测量数据在数字域中计算最终输出信号VO，计算公式为:VO＝(V-VL)×VHth/(VH-VL)。
步骤S6中如果扫描过程中发现VL和VH变化，则再次启动步骤S1到步骤S5的模拟域调节过程。最终得到的亮温-电压如图6所示。改善前后亮温-电压曲线对比如图7所示。
以两个通道为例说明调节过程。将各通道的D/A转换器送入值置为零，并将数控增益放大器的增益置为1。
当辐射计扫描到定标源TL时，通道1和通道2的采样电压分别为V1L(未优化)＝0.4857V和V2L(未优化)＝0.1157V；当辐射计扫描到定标源TH时，通道1和通道2的采样电压分别为V1H(未优化)＝0.5168V和V2H(未优化)＝0.1389V。
首先进行强背景信号的抑制。这里取VLth＝0.0001V，通道1的V1L和通道2的V2L都超过了VLth，都需要进行背景抑制。将通道1对应-0.4857V的和通道2对应-0.1157V的D/A参数分别送入D/A转换器产生模拟调节信号，再经滤波后送入求和器，以抑制背景信号，并多次调节送入D/A转换器的值直至各通道的对应的VL小于VLth。
然后进行通道亮温灵敏度的改善。A/D转换器的采样量程为Vmax＝3.3V，这里取VHth＝3.2V。由上述背景抑制处理后，V1H约为0.0311V，V2H约为0.0232V。通道1的数控增益放大器参数可估计为G1＝VHth/V1H＝3.2/0.0311≈103倍，同样可估计G2＝VHth/V2H＝3.2/0.0232≈138。设数控增益放大器与103倍和138倍最接近的100倍和130倍，也就是分别将通道1和通道2的数控增益放大器增益值分别设置为100倍和和130倍。对本例通道一的亮温灵敏度的改善约为100倍，通道二的亮温灵敏度改善约为130倍。经过亮温灵敏度改善后，V1H约为0.0311V×100＝3.11V，V2H约为0.0232V×130＝3.016V。
最后在数字信号处理器中分别对通道1和通道2的采样结果进行通道一致性和亮温灵敏度的精细调整。第一通道的调整表达式为V1O＝(V1-V1L)×VHth/(VH-V1L)＝(V1-V1L)×3.2/3.10＝1.032(V1-V1L)。第二通道的调整表达式为V2O＝(V2-V2L)×VHth/(V2H-V2L)＝(V2-V2L)×3.2/3.006＝1.065(V2-V2L)。
由以上结果可知，在不对多通道辐射计前端做特殊要求的情况下，接合模拟信号调节和数字信号调节，有效解决多通道辐射计通道的不一致性问题，提高辐射计的亮温灵敏度，实现多通道成像辐射计通道一致性的改善和亮温灵敏度的提高，在后端对辐射计的通道一致性和亮温灵敏度进行自动改善，这种方法降低了对前端的要求，非常有利于多通道成像辐射计的批量生产。本发明能提高多通道成像辐射计的成像质量和微弱目标检测、识别性能，并有利于产品的批量生产和智能化应用。同时本发明的思想和方法也可应用其他类似的场景。
此处可取值为VL和VH变化超过1％，则再次启动步骤S1到步骤S5的模拟域调节过程。本发明亮温灵敏度改善和一致性控制的流程图如图8所示。定标——扫描——定标过程示意图如图9所示。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！